第一講電子地圖基本概念

1、任星機(jī)電工程學(xué)院 2016.12 電子地圖技術(shù)相關(guān)內(nèi)容電子地圖技術(shù)相關(guān)內(nèi)容1 1電子地圖的概述電子地圖的概述2 2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀3 3電子地圖的使用方法及用途電子地圖的使用方法及用途4 4電子地圖的關(guān)鍵技術(shù)電子地圖的關(guān)鍵技術(shù)5 5存在問(wèn)題及建議存在問(wèn)題及建議1 1 電子地圖概述電子地圖概述電子地圖又稱數(shù)字地圖，是數(shù)字化的地圖。是以數(shù)字形式記錄、存貯的地圖。屬于現(xiàn)代測(cè)繪學(xué)與地理學(xué)的一門交叉學(xué)科。近年來(lái)地理信息系統(tǒng)、遙感、測(cè)繪學(xué)、計(jì)算機(jī)等學(xué)科的蓬勃發(fā)展，為傳統(tǒng)地圖制圖學(xué)的發(fā)展注入了新的活力。特別是20世紀(jì)90年代以來(lái)，電子地圖在中國(guó)得到了快速的發(fā)展。1 1 電子地圖概述電子地圖概述

2、計(jì)算機(jī)制圖技術(shù)的發(fā)展在許多方面改變了地圖學(xué)，包括數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)及地圖產(chǎn)品的生產(chǎn)方式，這直接促進(jìn)了電子地圖的發(fā)展。同時(shí)，電子地圖擴(kuò)展了地圖作為一種信息傳輸和分析工具的作用，因此它又引起地圖使用方式的重大變化。 電子地圖為用戶提供的通常是一個(gè)可視化的讀圖環(huán)境，用戶在這樣的環(huán)境中進(jìn)行地圖信息的分析加工并最終在大腦中形成認(rèn)知。1 1 電子地圖概述電子地圖概述電子地圖定義電子地圖定義對(duì)于電子地圖，至今尚無(wú)一個(gè)統(tǒng)一和嚴(yán)格的定義。目前的共識(shí)是，電子地圖是地圖與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。具體來(lái)說(shuō)，電子地圖是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，將存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)設(shè)備(如磁盤、光盤等)上的數(shù)據(jù)在屏幕上進(jìn)行可視化表現(xiàn)的地圖產(chǎn)品。在地圖學(xué)的

3、發(fā)展歷程中，GIS（地理信息系統(tǒng)）的出現(xiàn)是一個(gè)重要的里程碑，它在技術(shù)上體現(xiàn)了地圖與計(jì)算機(jī)技術(shù)的完美結(jié)合，同時(shí)在應(yīng)用上又適應(yīng)了人們對(duì)地圖使用更高層次、更加多元化的要求，大大延伸了地圖在表達(dá)信息和提供決策方面的能力。1 1 電子地圖概述電子地圖概述電子地圖的特點(diǎn)電子地圖的特點(diǎn)信息容量大，表現(xiàn)手段豐富。紙質(zhì)地圖由于存儲(chǔ)介質(zhì)單一，限制了其信息容量和表現(xiàn)手段。共享性。在數(shù)字技術(shù)的支持下，電子地圖能夠方便快捷地大批量無(wú)損復(fù)制。多維性。紙質(zhì)地圖只能以二維平面方式表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界的信息。電子地圖利用計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)，能夠提供對(duì)真實(shí)世界的仿真與模擬。無(wú)級(jí)縮放。電子地圖利用“漫游”和“平移”等功能，可以實(shí)現(xiàn)地圖無(wú)級(jí)

4、縮放，即小可“細(xì)察局部”，大可“統(tǒng)攬全局”。電子地圖的特點(diǎn)電子地圖的特點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化。電子地圖具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)表現(xiàn)空間信息能力。交互探索性。紙質(zhì)地圖由于靜態(tài)性的特點(diǎn)，其信息傳輸基本上是單向的，即沿著制圖人員向用戶方向傳遞。電子地圖表達(dá)的所有地圖信息都以數(shù)字化數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，并利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)方法將這些數(shù)據(jù)以可視化的形式展現(xiàn)在顯示設(shè)備上。電子地圖優(yōu)點(diǎn)電子地圖優(yōu)點(diǎn) 便于存貯、傳輸和更新，可以轉(zhuǎn)換成紙質(zhì)地圖，或在屏幕上顯示。 2 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1 2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外研究現(xiàn)狀20世紀(jì)60年代末期，美國(guó)ITS的雛形開始出現(xiàn)。在當(dāng)時(shí)開始研發(fā)的系統(tǒng)名稱叫做電子路徑導(dǎo)向系統(tǒng)(E

5、RGS)，后來(lái)因?yàn)槟撤N原因中間暫停了10多年。到了80年代中期，由加利福尼亞交通部門研發(fā)的PATHFINDER系統(tǒng)成功應(yīng)用。在此之后，國(guó)外開始了一系列關(guān)于智能交通技術(shù)的研究。2.1 2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外研究現(xiàn)狀1990年，美國(guó)運(yùn)輸部成立智能化車輛道路系統(tǒng)(IVHS)組織，1991年國(guó)會(huì)制定了ISTEA(綜合地面運(yùn)輸效率方案)，這個(gè)方案重點(diǎn)是安排IVHS的研發(fā)和試驗(yàn)，目的是能利用通信和信息技術(shù)對(duì)交通承載量進(jìn)行合理的分配，從而提高整個(gè)路網(wǎng)的運(yùn)輸效率。1994年，IVHS更名為ITS，同時(shí)提出了ITS的7個(gè)服務(wù)領(lǐng)域(7個(gè)系統(tǒng))：即交通管理系統(tǒng)、公共交通運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)、商用車輛運(yùn)

6、營(yíng)系統(tǒng)、出行信息服務(wù)系統(tǒng)、電子收費(fèi)系統(tǒng)、應(yīng)急管理系統(tǒng)和車輛控制系統(tǒng)。2.1 2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外研究現(xiàn)狀20042004年，美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)了年，美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)了SAF-ETEA-LUSAF-ETEA-LU法案，內(nèi)容涉及交法案，內(nèi)容涉及交通管理、公交管理、公路營(yíng)運(yùn)、貨運(yùn)管理、道路氣象管理通管理、公交管理、公路營(yíng)運(yùn)、貨運(yùn)管理、道路氣象管理、出行者信息、費(fèi)用征收、事件管理等系統(tǒng)的改善和遠(yuǎn)程、出行者信息、費(fèi)用征收、事件管理等系統(tǒng)的改善和遠(yuǎn)程傳感器系統(tǒng)等領(lǐng)域，其重點(diǎn)放在了使用多樣的智能交通系傳感器系統(tǒng)等領(lǐng)域，其重點(diǎn)放在了使用多樣的智能交通系統(tǒng)及增強(qiáng)多式聯(lián)運(yùn)。統(tǒng)及增強(qiáng)多式聯(lián)運(yùn)。19881988年，由歐洲多

7、國(guó)投資年，由歐洲多國(guó)投資5050多億美元，聯(lián)合推進(jìn)一項(xiàng)完多億美元，聯(lián)合推進(jìn)一項(xiàng)完善道路設(shè)施，提高服務(wù)質(zhì)量為目的善道路設(shè)施，提高服務(wù)質(zhì)量為目的DRIVEDRIVE計(jì)劃。這是歐洲計(jì)劃。這是歐洲用于車輛安全的專用道路基礎(chǔ)設(shè)施方案，這一計(jì)劃己于用于車輛安全的專用道路基礎(chǔ)設(shè)施方案，這一計(jì)劃己于19941994年完成第年完成第1 1階段。目前歐洲各國(guó)正著手階段。目前歐洲各國(guó)正著手TELEMATICSTELEMATICS的的全面應(yīng)用研究工作，計(jì)劃在全歐洲內(nèi)建立專門用于交通數(shù)全面應(yīng)用研究工作，計(jì)劃在全歐洲內(nèi)建立專門用于交通數(shù)據(jù)共享使用的無(wú)線通信網(wǎng)，使據(jù)共享使用的無(wú)線通信網(wǎng)，使ITSITS系統(tǒng)中的交通管理、車系

8、統(tǒng)中的交通管理、車輛行駛和電子收費(fèi)等都圍繞這個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)展開。輛行駛和電子收費(fèi)等都圍繞這個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)展開。2.2 2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀20042004年年1010月福州舉行的月福州舉行的“全國(guó)地圖學(xué)與全國(guó)地圖學(xué)與GISGIS學(xué)術(shù)會(huì)議學(xué)術(shù)會(huì)議”上上，涌現(xiàn)了大批討論電子地圖的論文，這些論文討論了電子，涌現(xiàn)了大批討論電子地圖的論文，這些論文討論了電子地圖從理論研究到具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的一系列專題，對(duì)電地圖從理論研究到具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的一系列專題，對(duì)電子地圖發(fā)展具有重要的推動(dòng)意義。子地圖發(fā)展具有重要的推動(dòng)意義。劉岳全面分析了我國(guó)當(dāng)前電子地圖研究的現(xiàn)狀，并提劉岳全面分析了我國(guó)當(dāng)前電子地圖研

9、究的現(xiàn)狀，并提出利用面向?qū)ο竽Ｐ驮O(shè)計(jì)與制作電子地圖，為電子地圖的出利用面向?qū)ο竽Ｐ驮O(shè)計(jì)與制作電子地圖，為電子地圖的設(shè)計(jì)技術(shù)提供了新的手段。設(shè)計(jì)技術(shù)提供了新的手段。凌云和陳毓芬從具體的實(shí)例分析入手，詳細(xì)討論了從凌云和陳毓芬從具體的實(shí)例分析入手，詳細(xì)討論了從底層開發(fā)多媒體電子地圖集的思路與方法。底層開發(fā)多媒體電子地圖集的思路與方法。齊清文等詳細(xì)討論了數(shù)字地圖的理論和方法體系，并齊清文等詳細(xì)討論了數(shù)字地圖的理論和方法體系，并介紹了計(jì)算機(jī)地圖編輯與制版一體化、電子地圖、網(wǎng)絡(luò)地介紹了計(jì)算機(jī)地圖編輯與制版一體化、電子地圖、網(wǎng)絡(luò)地圖及手機(jī)地圖等一系列研究成果，為數(shù)字地圖在各個(gè)領(lǐng)域圖及手機(jī)地圖等一系列研究成果

10、，為數(shù)字地圖在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有益的參考。的應(yīng)用提供了有益的參考。2.2 2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀其它一些比較重要的理論還包括，高俊教授于其它一些比較重要的理論還包括，高俊教授于20002000年提出了基于可視化的知識(shí)發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘年提出了基于可視化的知識(shí)發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘功能，主要討論了通過(guò)色彩、符號(hào)、圖形等要素功能，主要討論了通過(guò)色彩、符號(hào)、圖形等要素表現(xiàn)地物在地理空間中的相互關(guān)系并進(jìn)行分析，表現(xiàn)地物在地理空間中的相互關(guān)系并進(jìn)行分析，從而獲得知識(shí)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律。他強(qiáng)調(diào)從而獲得知識(shí)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律。他強(qiáng)調(diào)“視覺視覺心象心象形象思維形象思維創(chuàng)新創(chuàng)新”的認(rèn)知過(guò)程，即從已知發(fā)現(xiàn)的認(rèn)知過(guò)程，即從已知發(fā)

11、現(xiàn)未知的過(guò)程，指出可視化的主要作用就是引發(fā)大未知的過(guò)程，指出可視化的主要作用就是引發(fā)大腦中的這個(gè)思維過(guò)程。腦中的這個(gè)思維過(guò)程。3 3 電子地圖的使用方法及電子地圖的使用方法及用途用途3.13.1電子地圖的使用環(huán)境電子地圖的使用環(huán)境紙質(zhì)地圖受圖幅面積的限制，存在圖面載負(fù)量的極大值，因此在有限的圖面上表達(dá)盡可能多的信息以最大限度滿足用戶的需要，成為紙質(zhì)地圖整個(gè)設(shè)計(jì)制作過(guò)程的決定因素。用戶在讀圖時(shí)，其視覺的主要承載媒介是紙張。電子地圖由于其在信息存儲(chǔ)和表達(dá)方面的巨大優(yōu)勢(shì)，理論上具有無(wú)限大的載負(fù)量；同時(shí)它在信息顯示方面又受到計(jì)算機(jī)屏幕尺寸和分辨率的限制。用戶在讀圖時(shí)，其視覺的承載媒介是屏幕。因此電子地

12、圖的使用環(huán)境主要依賴于計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備，電子地圖上圖形的視覺感受效果必然受到計(jì)算機(jī)屏幕尺寸和分辨率的影響。3.23.2電子地圖的使用方式電子地圖的使用方式電子地圖與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的有效結(jié)合，將地圖從信息傳輸工具擴(kuò)展為一種信息查詢與分析工具。因此使用方式也必然從以地圖信息傳輸為主向地圖可視化分析為主轉(zhuǎn)變。MacEachren把面向地圖傳輸?shù)牡貓D使用方式與面向地圖可視化的地圖使用方式兩者之間的關(guān)系，用一個(gè)三維立體進(jìn)行了寫實(shí)性的說(shuō)明，如圖所示3.23.2電子地圖的使用方式電子地圖的使用方式從圖中可以看出，兩者在相互轉(zhuǎn)化方面具有以下特點(diǎn):從面向地圖傳輸?shù)墓驳貓D使用到面向可視化的個(gè)人地圖使用轉(zhuǎn)變。前者強(qiáng)調(diào)

13、地圖用戶的廣泛性，后者則強(qiáng)調(diào)個(gè)性化的地圖使用。從面向地圖傳輸?shù)谋硎疽阎牡貓D使用到面向可視化的表示未知的地圖使用轉(zhuǎn)變。前者強(qiáng)調(diào)用戶被動(dòng)接受地圖上存在的信息，后者則更多的把注意力放在如何幫助用戶從自己的特定需求出發(fā)去發(fā)現(xiàn)地圖中感興趣的信息。從面向地圖傳輸?shù)牡图?jí)交互性地圖使用到面向可視化的高級(jí)交互性地圖使用轉(zhuǎn)變。通過(guò)前者，地圖上的信息總是沿著地圖向用戶的方向流動(dòng)；通過(guò)后者，用戶可以利用工具自己操縱地圖。4 4 電子地圖的關(guān)鍵技術(shù)電子地圖的關(guān)鍵技術(shù)4.14.1數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型電子地圖在伴隨計(jì)算機(jī)信息技術(shù)及信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，出現(xiàn)了多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)庫(kù)組織方式也相應(yīng)的發(fā)生了變化。例如數(shù)

14、據(jù)模型發(fā)展中，從關(guān)系型數(shù)據(jù)模型、面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型，到現(xiàn)在最新的時(shí)空數(shù)據(jù)模型、超媒體數(shù)據(jù)模型等。在數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)管理上，從已經(jīng)成熟的文件管理系統(tǒng)、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，到現(xiàn)在正在發(fā)展完善中的面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等等。在電子地圖領(lǐng)域，針對(duì)電子地圖技術(shù)本身發(fā)展設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是分層思想，如圖層分層結(jié)構(gòu)、要素圖層地圖結(jié)構(gòu)等。4.24.2圖層分層結(jié)構(gòu)圖層分層結(jié)構(gòu)目前國(guó)內(nèi)外一些著名的目前國(guó)內(nèi)外一些著名的GISGIS軟件都以圖層方式組織數(shù)據(jù)，軟件都以圖層方式組織數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)了圖層的操作功能。分層管理思想是并設(shè)計(jì)了圖層的操作功能。分層管理思想是GISGIS空間數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)組織管理的重要內(nèi)容，在

15、諸多地圖數(shù)據(jù)管理概念中，以層組織管理的重要內(nèi)容，在諸多地圖數(shù)據(jù)管理概念中，以層的管理形式效率最高。的管理形式效率最高。在地理信息系統(tǒng)應(yīng)用程序中，圖層是地圖數(shù)據(jù)組織的基在地理信息系統(tǒng)應(yīng)用程序中，圖層是地圖數(shù)據(jù)組織的基本儲(chǔ)存單位，用來(lái)區(qū)分空間實(shí)體的類別。層是在一定空間本儲(chǔ)存單位，用來(lái)區(qū)分空間實(shí)體的類別。層是在一定空間范圍內(nèi)屬性一致、特征相同、具有一定拓?fù)潢P(guān)系的地理實(shí)范圍內(nèi)屬性一致、特征相同、具有一定拓?fù)潢P(guān)系的地理實(shí)體或地理因子在空間分布上的集合，即具有某些相同或相體或地理因子在空間分布上的集合，即具有某些相同或相似特性的同種類型多個(gè)幾何空間元素組成的集合。似特性的同種類型多個(gè)幾何空間元素組成的集合

16、。4.24.2圖層分層結(jié)構(gòu)圖層分層結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，每一類特征數(shù)據(jù)都可以單獨(dú)組成一個(gè)圖層如圖所示，也可以將若干類特征數(shù)據(jù)合并成一個(gè)新的圖層。而多個(gè)空間圖層的組合，構(gòu)成能滿足一定應(yīng)用需求的圖層的集合稱為圖層集。圖層集包含有以下圖層信息：圖層空間索引(大小、標(biāo)號(hào)、表名)、組成圖層集的圖層引用(圖層標(biāo)號(hào)、層表名)、圖層坐標(biāo)范圍(坐標(biāo)最大、最小值)、圖層是否顯示等信息。4.34.3圖層圖層地圖地圖圖集層次結(jié)構(gòu)圖集層次結(jié)構(gòu)地圖層次結(jié)構(gòu)思想對(duì)電子地圖的應(yīng)用開發(fā)影響非常大，地圖層次結(jié)構(gòu)思想對(duì)電子地圖的應(yīng)用開發(fā)影響非常大，因?yàn)樗陔娮拥貓D的應(yīng)用系統(tǒng)中很常用。這種地圖層次結(jié)因?yàn)樗陔娮拥貓D的應(yīng)用系統(tǒng)中很常用

17、。這種地圖層次結(jié)構(gòu)多數(shù)由要素構(gòu)多數(shù)由要素圖層圖層地圖三層邏輯體系組成見圖所示。地圖三層邏輯體系組成見圖所示。這種體系可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)世界的分層組成分別對(duì)應(yīng)建立相應(yīng)這種體系可以根據(jù)現(xiàn)實(shí)世界的分層組成分別對(duì)應(yīng)建立相應(yīng)的地圖圖層，這樣對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的描繪可以更清晰，且可擴(kuò)的地圖圖層，這樣對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的描繪可以更清晰，且可擴(kuò)展性非常好，可以很方便地加入需要的圖層。展性非常好，可以很方便地加入需要的圖層。4.34.3圖層圖層地圖地圖圖集層次結(jié)構(gòu)圖集層次結(jié)構(gòu)在實(shí)際電子地圖的應(yīng)用中，圖層地圖結(jié)構(gòu)確實(shí)是一種有效的地理數(shù)據(jù)組織管理方法，但它仍然有一個(gè)不足，那就是它缺乏大數(shù)據(jù)量的地圖集應(yīng)對(duì)策略。在電子地圖應(yīng)用系統(tǒng)中，一般將

18、地圖做成電子地圖集的數(shù)據(jù)組織管理，即在電子地圖制作系統(tǒng)中，采用圖層地圖思想的數(shù)據(jù)組織管理體系，而在電子地圖系統(tǒng)中采用樹或其他思想進(jìn)行圖集的組織管理。這樣一個(gè)電子地圖的數(shù)據(jù)組織管理雛形就產(chǎn)生了。4.44.4電子地圖表現(xiàn)形式電子地圖表現(xiàn)形式地圖作為空間信息的展示，是空間信息數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)全面抽象化后的符號(hào)模型。電子地圖的本意是為了對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行展現(xiàn)，為了達(dá)到直觀、美化、對(duì)使用者友好的用電子地圖刻畫現(xiàn)實(shí)地理的目的，有必要對(duì)電子地圖的表現(xiàn)手法進(jìn)行介紹?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)很多研究主要對(duì)地圖視覺理論、增強(qiáng)地圖表現(xiàn)力、地圖符號(hào)系統(tǒng)及符號(hào)庫(kù)等方面進(jìn)行了闡述。地圖的制作過(guò)程是通過(guò)抽象模型進(jìn)行圖數(shù)轉(zhuǎn)換，即將現(xiàn)實(shí)世界的地圖實(shí)體轉(zhuǎn)換為可以在計(jì)算機(jī)中表示的數(shù)字符號(hào)，這樣就可以用地圖數(shù)據(jù)表示現(xiàn)實(shí)世界了，最后將抽象化的地圖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在空間數(shù)據(jù)庫(kù)中。電子地圖中采用的圖形元素符號(hào)可以認(rèn)為是電子地圖的語(yǔ)言，它對(duì)描述現(xiàn)實(shí)世界地理實(shí)體特征與拓?fù)潢P(guān)系有著重要作用，是表達(dá)地理環(huán)境的基本元素。5 5 存在問(wèn)題及建議存在問(wèn)題及建議5.15.1存在的問(wèn)題存在的問(wèn)題由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、可視化技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等等的發(fā)展，使得電子地圖的制作越來(lái)越方便、越來(lái)越生動(dòng)，也越來(lái)越具有表現(xiàn)力。但是我們也應(yīng)該看到，電子地圖的設(shè)計(jì)原理和方法還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有解決，對(duì)于它的表示內(nèi)容、信息載負(fù)量、